基于ＲＷＥＱ模型的石渠縣土壤風蝕評價及影響因素分析

楊雪琴　丁銳　謝駿鍇　劉恩勤

摘要：應用修正風蝕模型（RWEQ）對四川省甘孜藏族自治州石渠縣進行土壤風蝕模數估算，分析土壤風蝕在石渠縣的空間分布特征及各個因素對石渠縣土壤風蝕作用的影響。結果表明，石渠縣北部抗土壤風蝕能力優于南部，西南部受土壤風蝕影響最大;氣象因子為土壤風蝕最主要的影響因子，在6月汛期時土壤風蝕模數達到最大;植被指數的空間分布特征與土壤風蝕模數空間分布特征契合，對其影響較深。

關鍵詞：RWEQ模型;土壤風蝕;防風固沙;石渠縣

中圖分類號：S157.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0026-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.006? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Evaluation of wind erosion and analysis of its influencing factors

in Shiqu county based on REWQ model

YANG Xue-qin，DING Rui，XIE Jun-kai，LIU En-qin

（College of Earth Science，Chengdu University of Technology/Key Laboratory of Information Technology & Application of Land and Resource，Chengdu 610059，China）

Abstract： The modified wind erosion model （RWEQ） was used to estimate the soil wind erosion modulus of Shiqu county， Ganzi prefecture， Sichuan province， and the spatial distribution characteristics of soil wind erosion and the effects of various factors on the soil wind erosion in Shiqu county were analyzed. The results showed that， the resistance to soil wind erosion in northern Shiqu county was better than that in southern， and the southwest was the most affected by soil wind erosion. Meteorological factors were the most important factors affecting soil wind erosion. The soil wind erosion modulus reached the maximum in the flood season in June. The spatial distribution of vegetation index was consistent with the spatial distribution characteristics of soil wind erosion modulus， and its influence was deep.

Key words： REWQ model; wind erosion; sand-fixing; Shiqu county

土壤侵蝕是土壤退化的一種表現形式。土壤退化的兩個主要因素分別為水蝕和風蝕，二者導致的全球退化土地面積約占84%[1]，使土壤過度侵蝕成為目前世界上最重要的環境問題之一。土壤侵蝕過程可能非常緩慢，也可能以較快的速度造成表土的嚴重流失。隨著中國基礎建設腳步的加快，人類活動導致土壤侵蝕速率也開始加快。土壤侵蝕使營養豐富的上層土壤流失，將最終導致土地荒漠化。農業泥沙流入河流還會導致水體富營養化，進一步污染水體和土壤。在土壤風蝕過程中產生的懸浮土壤顆粒是空氣污染的主要來源之一，當土壤顆粒被農藥、化工燃料等有毒化學品污染，再著陸或被人體吸入時會造成嚴重的生態和公共健康問題。中國西部山區生態脆弱，水土流失現象較為嚴重，威脅著國家的生態安全，當地風蝕模數的估算工作對維護其生態環境可持續發展具有一定意義。

土壤侵蝕模型的構建能夠更好地探尋侵蝕的原因，以便對土壤侵蝕進行一系列預測工作，減輕其對生態環境的影響。由于侵蝕過程較為復雜，因此建模需要充分考慮各項因素，例如氣象、水文、地質環境、土壤條件等。對于風蝕模型研究，Woodruff等[2]提出了風蝕方程（Wind erosion equation，WEQ），其被美國農業部用于對農田管理措施土壤風蝕的潛在影像評估。在充分考慮土壤結皮及土壤可蝕性因素后，Fryrear等[3]在WEQ基礎上得到修正風蝕方程（Revised wind erosion equation，RWEQ）。國內學者也利用RWEQ模型進行了諸多研究，并取得了較好的成果，如：遲文峰等[4]基于RWEQ模型對內蒙古高原進行風蝕研究，反演了20世紀90年代以來內蒙古高原土壤風蝕模數;江凌等[5]研究發現RWEQ模型估算結果與137Cs推算結果具有較高擬合性，在國內區域尺度應用具有一定可行性;鞏國麗等[6]針對模型中的土壤結皮因子和可蝕性因子進行了改進和應用。這些研究結果表明，在理想數據情況下，RWEQ模型能很好完成對土壤風蝕情況的預測，為防止土壤荒漠化提供決策依據。

本研究根據RWEQ方程構建四川省石渠縣地理空間數據庫，對模型各個因子進行計算，進而評估石渠縣土壤風蝕模數。根據侵蝕強度對結果進行分級，并分析其時間和空間分布特征，探尋土壤風蝕影響因素，為當地生態保護和防風固沙工作提供決策依據和經驗指導。

1? 數據來源與研究方法

1.1? 研究區概況

石渠縣隸屬于四川省甘孜藏族自治州，位于四川省西北部，青藏高原東南緣，介于北緯32°19′—34°20′，東經97°20′—99°16′，是四川省最偏遠、交通最不方便的縣之一。石渠縣幅員面積25 191 km2，全縣平均海拔4 000 m，為大陸性季風高原氣候，日照時間長，氣溫偏低，晝夜溫差大，無絕對無霜期，暴風雪災害易發。該地區地質結構復雜，又因大規模的資源開采導致當地生態環境更加脆弱，崩塌、泥石流、滑坡等地質災害頻發。

1.2? 數據來源

構建RWEQ模型所使用的數據主要分為氣候數據、太陽輻射數據、雪蓋數據、地形數據、遙感數據和土壤數據集。其中，氣候數據和太陽輻射數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）;雪蓋數據和土壤數據集來源于寒區旱區科學數據中心（http：//westdc.westgis.ac.cn/data/）;30 m分辨率DEM數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），被用于計算地形起伏度;遙感數據來源于美國航空航天局（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。

1.3? 研究方法與數據處理

1.3.1? RWEQ模型? 生態系統中防風固沙服務功能是指在地表無植被狀況下的土壤風蝕量與植被覆蓋條件下的土壤風蝕量的差值[6，7]。在眾多模型中，RWEQ模型充分考慮了氣候條件因素、土壤可蝕性及結皮因素、地表粗糙度、植被覆蓋狀況等，其因子覆蓋全面，數據易于獲取，常用于在小于1年的時間尺度上進行土壤風蝕量預報，適用區域范圍更廣，時間尺度更靈活[8]。

本研究采用RWEQ修正風蝕方程對石渠縣的土壤風蝕狀況進行定量評價，該方程基本表達式如下：

SR=SL潛-SL? ?（1）

SL潛=■×Qmax潛×e■

Qmax潛=109.8×（WF×EF×SCF×K′）S潛=150.71×（WF×EF×SCF×K′）-0.371 1? （2）

SL=■×Qmax×e■

Qmax=109.8×（WF×EF×SCF×K′×C）S=150.71×（WF×EF×SCF×K′×C）-0.371 1 （3）

式中，SR是土壤風蝕模數[t/（hm2·年）];SL潛是潛在土壤風蝕模數[t/（hm2·年）];SL是實際風蝕模數[t/（hm2·年）];Z為下風向最大風蝕出現距離，Z=50 m;S潛、S是關鍵地塊的長度（m）;Qmax潛、Qmax為最大轉移量（kg/m）;WF為氣候因子（kg/m）;EF為土壤可蝕性因子（無量綱）;SCF為土壤結皮因子（無量綱）;K′為地表粗糙度因子;C為植被覆蓋度因子。

1.3.2? 評價指標的獲取

1）氣象因子。風速、氣溫、降雨、日照輻射以及雪蓋天數等氣候狀況都會影響土壤風蝕模數，其共同組成了氣候因子，該因子計算表達式：

WF=WE×■×SW×SD? （4）

WE=μ2×（μ2-μ1）2×Nd? （5）

？籽=348.01（■）（6）

SW=■? ?（7）

ETP=0.016 2×■×（DT+17.8）? （8）

SD=1-P? ?（Hsnow>25.4 mm）? （9）

式中，WF為氣象因子（kg/m）;WE為風場強度因子（m3/s3），由監測風速μ2（m/s）、起沙風速μ1（假定為5 m/s）和觀察周期天數Nd計算得到;？籽為空氣密度（kg/m3），由海拔高度EL（km）和絕對溫度T（K）計算得到;g為重力加速度（m/s2）;SW為土壤濕度因子（無量綱）;R為降雨量（mm）;I為灌溉量（mm）;Rd為降雨次數和（或）灌溉天數;ETP為地表潛在相對蒸發量（mm），由太陽輻射SR（cal/cm2）和平均溫度DT（℃）計算得到;SD為雪覆蓋因子（無量綱）;P為計算時段內積雪覆蓋深度（Hsnow）大于25.4 mm的概率。

2）土壤可蝕性因子。土壤可蝕性是指土壤對侵蝕的敏感性。對于不同的機械組成和理化性質的土壤種類，粒度越小，有機質含量越低，其土壤可蝕性越大，越容易被侵蝕;反之粒度越粗，有機質含量越高，其可蝕性越小，越不容易被侵蝕。對于土壤可蝕性因子的計算公式如下[9]：

EF=■

（10）

土壤結皮是指某些低等生物與土表相互作用或降水滴濺在土表上形成的微層，一般按產生機理可分為生物性結皮和物理性結皮。其中，生物性結皮有利于抵抗土壤風蝕;物理性結皮易碎，反而加速了土壤被風蝕的過程。其計算公式如下[10]：

SCF=■? （11）

在兩式中，所有參量均為百分制，sa為土壤沙粒含量;si為土壤粉沙含量;cl為黏土含量;OM為有機質含量;Caco為碳酸鈣含量，可不予考慮。

3）植被覆蓋度因子。不同的植被有著不同的根系，也就有不同的固水固沙能力。植被覆蓋度因子表示一定植被覆蓋條件下，對土壤風蝕的抑制作用大小。依據研究區LUCC分類圖，將植被分為林地、灌木、草地、農田、裸地5個植被類型，根據不同的系數計算各植被覆蓋度因子。其表達式[11]：

C=e■? （12）

式中，ai為不同植被類型的系數，其中，林地為0.153 5，灌木為0.092 1，草地為0.151 1，農田為0.043 8，裸地為0.076 8;SC為植被覆蓋度（無量綱），由NDVI數據集計算得到。

4）地表粗糙度因子。地表粗糙度是指由地形引起的土地表面粗糙程度對土壤風蝕的影響。其表達式[11]：

K′=e■? ?（13）

Kr=0.2×■? ?（14）

式中，Kr為因地形起伏產生的地形粗糙度長度（cm）;Crr為隨機糙度因子，取0;ΔH為距離L范圍內的海拔高程差（m），根據不同的起伏地形情況，L具有不同的值。

2? 結果與分析

為了分析該地區的土壤風蝕變化，參照水利部《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190-2007）并結合研究區的實際情況采用自然斷點法將土壤風蝕模數分為潛在風蝕（0，5.45]、微度風蝕（5.45，10.65]、輕度風蝕（10.65，15.62]、中度風蝕（15.62，24.50]、重度風蝕（24.50，55.24]5類。

2.1? 土壤風蝕等級空間分布特征

根據上述方法得到2015年石渠縣土壤風蝕等級空間分布圖（圖1）。整體上看，石渠縣土壤風蝕情況不容樂觀，南部較北部侵蝕狀況更為嚴重。中部呷衣鄉以及西南部真達鄉、奔達鄉、正科鄉、鄧柯鄉和麻呷鄉風蝕程度最為嚴重;東南部大部分地區如蝦扎鄉、起塢鄉、長沙干馬鄉、長須貢馬鄉和瓦須鄉存在輕度風蝕;以北部集中的其余地區風蝕狀況得到有效控制，均為微度或潛在侵蝕。

結合石渠縣當地數字高程模型（DEM）等地形資料，發現石渠縣整體海拔較高，在西南部以及中部呷衣鄉存在較大的高程差，地勢起伏大，屬于高原山地，風蝕狀況更為嚴重;而北部雖然海拔較高，但高程差較小，屬于高原地形，風蝕狀況相較而言較輕。故分析認為地表粗糙度因子對土壤風蝕存在較大的影響，地表粗糙度因子越大，土壤風蝕模數越高。

2.2? 氣象變化對土壤風蝕模數的影響

利用2015年全年各月的月均氣象數據，結合石渠縣2015年植被覆蓋、土地利用、土壤機械組成及理化性質等數據，計算該時間尺度內的月均土壤風蝕模數，以探究氣象變化對土壤風蝕模數的影響。

根據上述方法得到2015年石渠縣各月土壤風蝕模數統計圖（圖2）。由圖2可知，1—3月和10—11月處于雪期，土壤風蝕模數較小。從3月之后迅速上升，在6月達到最高峰，期間處于春夏季節交替，風速較大，風力強勁，6月進入汛期，在風力和降雨的共同作用下，土壤風蝕模數也達到了全年最大。9月同樣對應一個小高峰，該時期當地即將進入雪期，植被枯萎，風力強勁，致使土壤侵蝕模數在此攀升。由此可知，氣象對土壤侵蝕模數有較大影響，且因子復雜，不同的時期有不同的主力因子，視當地氣象條件決定。

2.3? 植被覆蓋變化對土壤風蝕模數的影響

植被覆蓋能有效地抑制風蝕速度。作為風蝕的阻抗因子，不同的植被類型具有不同強弱的固沙能力，同一種植被不同程度的覆蓋度也會造成不同強弱的固沙能力。將有植被覆蓋的地表固沙量（Qsa）與無植被覆蓋（如裸地）的地表風蝕量（Qsoil）相比，就能消除氣候等因素的影響，得到防風固沙服務功能的保有率（F）。

其計算公式如下：

F=■? （15）

保有率反映了植被變化對防風固沙服務能力的影響，其值越高，土壤風蝕模數越小，固沙能力越強;反之值越低，土壤風蝕模數越大，固沙能力越弱。

根據上述方法得到2015年石渠縣防風固沙保有率空間分布圖（圖3）。石渠縣保有率范圍較大，最小為0.56，最高為4.92。整體依然是北部高于南部，由北到南逐漸減少，與土壤風蝕模數空間分布特征相一致，說明植被覆蓋程度對固沙量有較大影響，且植被覆蓋度因子較低的區域固沙量更大，土壤風蝕程度較微弱，植被覆蓋度因子高的區域固沙量偏小，土壤風蝕程度較為嚴重。

3? 小結

本研究利用修正土壤風蝕模型來定量分析土壤風蝕模數，評價石渠縣風蝕等級，并對氣象因子和植被因子分別與土壤風蝕模數之間的關系進行了深入的分析與探究。具體結論如下：

1）石渠縣的各區域抗土壤風蝕能力有差異，北部整體優于南部，北部較為集中的以潛在和微度風蝕為主，東南部的蝦扎鄉、起塢鄉、長沙干馬鄉、長須貢馬鄉和瓦須鄉存在輕度風蝕，西南部的真達鄉、奔達鄉、正科鄉、鄧柯鄉和麻呷鄉等則以中度、重度風蝕為主。

2）土壤風蝕模數隨著一年中時間的推進，氣象的變化而在曲線中表現出兩個小高峰，最高峰由降雨和風力共同導致，次高峰由植被狀況和風力共同導致。氣象因素在不同的時期有不同的主力因子，視當地氣象條件具體分析。

3）防風固沙保有率能較好地定量描述由植被引起的土壤風蝕量及其空間分布特征。植被對防風固沙服務影響程度較深，整體上保有率良好，其空間分布特征契合土壤風蝕模數空間分布特征。

參考文獻：

[1] BLANCO-CANQUI H， LAL R. Principles of soil conservation and management[M/OL].Springer，2010：http：//www.doc88.com/p-31975794580.html，2008-08/2019-02-18.

[2] WOODRUFF N P，SIDDOWAY F H. A wind erosion equation[J].Proceedings of the soil science society of america，1965，29（5）：602-608.